页数：70页文件大小：3.32 MB来源： 发酵工程ppt课件
本课件讲解发酵动力学，先建立比生长速率、比消耗速率与产物比生产速率等参数，再展开分批培养的生长曲线、Monod方程与产物形成动力学，最后比较三类操作方式与固态发酵。
第六章 发酵动力学
本章学习要点
发酵过程动力学包括两个层次的动力学：本征动力学和反应器动力学。
由于生物反应过程的复杂性，给生物反应动力学带来了多样性。
每个表达水平都有其独特特征，这些特征需要有其特有的动力学处理方法。
第一节 发酵动力学：发酵动力学是研究各种环境因素与微生物代谢活动之间的相互作用随时间变化的规律的科学。用数学模型定量地表达发酵过程中各种与生长、基质代谢、产物生成有关的因素，是发酵动力学研究的重要方法。
研究发酵动力学的目的在于按人们的需要控制发酵过程。
发酵动力学的主要参数描述：在连续培养的条件下，由生长、基质利用和产物形成的物料平衡方程，可以看出产物的形成与生长和细胞浓度的关系。
细胞量的积累速率 = 细胞生长速率 － 细胞的消失速率
2、底物的消耗速率与比消耗速率
基质的消耗速率 = 补料中基质的添加速率 － 生长消耗基质的速率 － 产物合成用去基质的速率 － 维持所消耗基质的速率 － 基质的移去速率
3、产物的生成速率与比生成速率
产物形成的速率 = 产物合成速率 － 产物移去速率 － 产物被破坏速率
K—产物破坏常数。
这些方程对稳态和非稳态发酵过程均适用，但在非稳态发酵过程中得到其方程解是困难的。
如果过程中不存在补料或产物的移去，即为间歇发酵，那么碳和能源的方程可改为简化形式。
显而易见，碳源（一般是培养基组分中成本最高的）被用于细胞的合成和生命活动的维持以及产物的合成中。重排上式可得基质利用的比速率。
第二节 微生物生长和分批发酵动力学——微生物生长曲线：以时间为横轴、菌体浓度为纵轴，依次分为延迟期、指数生长期、减速期、静止期与衰亡期，并标出倍增时间td与各期的特征。
About Lag Phase（延迟期）：在发酵工业生产中，为了提高生产效率，希望延迟期缩短，一般应遵循下列规则。
About Exponential Phase：对数生长期的微生物生长速率正比于原有的微生物数，因此可以直接得出微生物的基本生长动力学方程：μx = dx/dt，μ = (1/x)(dx/dt)。
指数生长期：菌体浓度以恒定的比生长速率呈对数增加的阶段。
μ在对数期是常数，取得最大值，在其他生长期不是常数。分析各生长不同时期的μ数值。
三、微生物生长速率与底物浓度的关系：所谓菌体生长动力学是以研究菌体浓度、限制性基质（培养基中含量最少的基质，其他组分都是过量的）浓度、抑制剂浓度、温度和pH等对菌体生长速率的影响为内容的。
在分批发酵中，菌体浓度X、产物浓度P和限制性基质浓度S均随时间t变化。
1949年Monod发现，细菌的比生长速率与单一限制性底物之间存在一定的对应关系。
Monod方程（1949）：Monod研究了基质浓度与生长速度的关系，其形式与米氏方程同型：μ = μmax·S/(Ks+S)
单一限制性基质：指在培养微生物的营养物中，对微生物的生长起到限制作用的营养物。
限制性底物是培养基中任何一种与微生物生长有关的营养物，只要该营养物相对贫乏时，就可能成为限制微生物生长的因子，可以是C源、N源、无机或有机因子。
营养物质相对贫乏的标准（量）：是指该物质的浓度处于比生长速率μ达μmax时对应的最低底物浓度以下的情形。此浓度称为临界底物浓度。
任一营养物质的浓度若高于临界底物浓度则为非限制性底物，低于临界底物浓度即为限制性底物。
Monod方程是典型的均衡生长模型，其基本假设如下
莫诺方程表面上与米氏方程同型。但是Monod方程来自于对实验现象的总结，而米氏方程是根据酶促反应机理推导出的：前者是经验方程，后者是机理方程。
Monod方程的参数求解（双倒数法）：将Monod方程取倒数可得两种线性化形式。
这样通过测定不同限制性基质浓度下微生物的比生长速度，就可以通过回归分析计算出Monod方程的两个参数。但在低S值时μ的偏差较大，影响Ks值的精度；第二方程好用一些，在低S值时精度高，也可用回归方法。
例：在一定条件下培养大肠杆菌，得如下数据，求在该培养条件下大肠杆菌的μmax、Ks和td。
| S (mg/l) | μ (h⁻¹) | S/μ |
|---|---|---|
| 6 | 0.06 | 100 |
| 33 | 0.24 | 137.5 |
| 64 | 0.43 | 192.5 |
| 153 | 0.66 | 231.8 |
| 221 | 0.70 | 311.3 |
Monod方程的意义
三、代谢产物形成的动力学模型：Gaden根据产物生成速率与细胞生长速率之间的关系，将其分为三种类型。
〖生长偶联型〗：产物的形成和菌体的生长相偶联，如葡萄糖厌氧发酵生成乙醇。
〖部分生长偶联型〗：产物的形成和菌体的生长部分偶联，如氨基酸发酵、柠檬酸等有机酸的发酵。
〖非生长偶联型〗：产物的形成和菌体的生长非偶联，如抗生素、微生物毒素等次级代谢产物的生产。
习惯上把与生长无关联的产物称为次级代谢产物，它们的合成发生在生长停止之后。
次级代谢作用的一个重要特征是，产物的生成只有在生产菌处于低的生长速率条件下才能发生。所以生长速率有可能是分解代谢产物的阻抑作用因子，而与营养限制无关。
分批培养与发酵得率
分批培养发酵生产率：生产率指单位时间内菌体细胞浓度或代谢产物浓度的生成量。
第三节 连续培养与发酵动力学 一、连续发酵定义及特点：把新鲜的培养基连续地供给均匀混合的发酵系统，同时又以相同的速度把含有细胞和产物的发酵液从发酵系统中抽出，便可使发酵过程连续化，并且使发酵罐内的液量维持恒定不变，使培养物在近似恒定状态下生长。
连续培养的特点
二、连续发酵类型
三）按培养基质混合方式分
恒化器：通过控制限制性基质浓度使其保持恒定的连续培养装置，示意其流加与流出回路。
恒浊器：通过光电检测反馈调节流出速率，使发酵液中的细胞浓度保持恒定的连续培养装置。
2、非均匀混合连续发酵：种子液进入发酵罐中后不均匀混合。
四）按培养基质循环方式分
三、连续发酵微生物生长动力学
四、常见连续发酵系统的动力学 一）开放式单级均匀混合型非循环连续发酵系统动力学
培养基在容器中的平均滞留时间 t=1/D=V/F。
2、微生物比生长速率与稀释率的关系
细胞增加的速率 = 细胞生长速率 － 细胞流出速率 － 细胞死亡速率，即 dx/dt = μx－Dx。当连续发酵达到平衡时，dx/dt=0，即μ=D。
3、细胞浓度与限制性基质浓度的关系
基质的消耗速率 = 流入的基质速率 － 流出的基质速率 － 细胞生长基质消耗速率 － 细胞维持基质消耗速率 － 产物生成基质消耗速率，即 dS/dt = DS₀－DS－μx/YX/S－mx－qPx/YX/S。
当发酵的目的是培养细胞时，细胞维持基质、产物生成基质消耗速率忽略：dS/dt = DS₀－DS－μx/YX/S；当连续发酵达到平衡时，dx/dt=0，D=μ，x=YX/S(S₀－S)。
4、限制性基质浓度、细胞浓度与稀释率的关系
5、细胞生产率及其与分批发酵中细胞生产率的比较
二）开放式多级均匀混合型非循环连续发酵系统动力学：图示多级串联的连续培养系统。
如果向第二级发酵罐添加物料液，此液流可以含有限制性营养物质，也可以含有附加的其他营养物质、诱导剂或抑制剂，则这种连续培养系统便可以用来研究微生物的代谢调节作用。在此系统中，第一级为第二级连续提供了生理状况始终如一的微生物细胞群体。
五、连续发酵的应用
第四节 补料分批发酵：补料分批发酵也叫半连续发酵、半连续培养、流加发酵（fed-batch fermentation），它是以分批培养为基础，间歇或连续地补加新鲜培养基的一种发酵方法。
补料分批培养特点：与分批发酵相比，发酵系统可维持很低的基质浓度。
低基质浓度的优点
适用范围：补料分批发酵广泛应用于抗生素、氨基酸、酶蛋白、核苷酸、有机酸及高聚物等的生产。
分批、连续、补料操作方式的比较
| 方式 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|
| 分批发酵 | 一般投资小；易转产、生产灵活；分批操作中某一阶段可获得高的转化率；发酵周期短，菌种退化率小 | 因放罐、灭菌等原因，非生产时间长；经常灭菌会降低仪器寿命；前培养和种子的花费大；需较多的操作人员或自动控制系统 |
| 连续发酵 | 可实现有规律的机械、自动化；操作人员少；反应器体积小、非生产时间少；产品质量稳定；操作人员接触毒害物质的可能性小；测量仪器使用寿命长 | 操作不灵活；因操作条件不易改变，原料质量必须稳定；若连续灭菌，加上控制系统和自动化设备，投资较大；必须不断地排除一些非溶性的固型物；易染菌，菌种易退化 |
| 补料发酵 | 操作灵活；染菌、退化几率小；可获得高的转化率；对发酵过程可实现优化控制 | 因经常灭菌会降低仪器使用寿命；非生产时间长；需较多的操作人员或计算机控制系统；操作人员接触一些病原和有毒产品的可能性大 |
固态发酵主要适合于霉菌，这是由于霉菌细胞内的渗透压比较高，不会因固体基质的高渗透压而致死。
（一）固态发酵的特点
固态发酵的优点与缺点
| 优点 | 缺点 |
|---|---|
| 培养基含水量少，废水、废渣少，环境污染少，容易处理 | 菌种限于耐低水活性（aw）的微生物，菌种选择性少 |
| 消耗低，供能设备简易 | 发酵速度慢，周期较长 |
| 培养基原料多为天然基质或废渣，广泛易得，价格低廉 | 天然原料成分复杂，有时变化，影响发酵产物的质和量 |
| 设备和技术较简易，后处理方便 | 工艺参数难检测和控制 |
| 产物浓度较高，后处理方便 | 产品少，工艺操作消耗劳力多，强度大 |
固态发酵存在一个显著特点，即菌体、基质、产物均处于一个非均一的发酵系统中，尤其是在一个大规模的固态发酵系统中，随着发酵的进行，菌体呼吸产热，料芯散热慢，菌体生长、基质利用和产物合成都处在一个非均匀的系统之中，致使发酵不能稳定进行。
固态发酵存在的主要工程问题是传质和传热受限制，表现在大规模生产时的散热比较困难；模拟和控制较困难，使参数的检测如pH值、温度、菌体增殖量、产物生成量等很难实现。因此，实现固态发酵的最优化困难重重。
固态发酵的应用 1、固态发酵在资源环境上的应用
2、生产有价值的物质：固态发酵可用来生产许多有价值的物质，例如谷物或者谷物残余物营养的富集，发酵食品、酶、色素、抗生素、生物杀虫剂、有机酸和风味化合物的生产。
固态发酵设备：按照固态培养方式分为六种形式。
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